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功率电路PCB的设计


功率电路比普通电路的设计要求更严格。如果电路板设计不当,当PCB板上传输很大的功率时,容易引发事故,造成极为严重的后果,甚至可能伤及人员。如果电路为低功率、小信号上升时间和大的信号电平,则对功率分配系统功率分配系统的要求就不是很严格;但是,如果这些因素发生了改变,功率的需求就会增加,这就需要进行周密的设计,以找到有效地方法解决PCB板功率分配和元件散热的问题。在设计功率电路PCB板时需要注意以下几个方面的问题。

1、高功率电路与低功率电路的分离

如果电路中的电流小于3A,则属于低功率电路,如果电路中的电流为3A以上,则属于高功率电路。通常,使用可行的低功率电平控制电路来控制有源高功率电子元件,例如,当TTL电路在5V电压工作时,如果拉电流小于1A,就可以控制晶闸管的导通,产生高达50A的电流。通常,可以将功率调节电路以及它所控制的电路设计在同一块PCB板上。图1为一个简单的晶闸管整流控制电路。可以看出,具有绝缘作用的脉冲变压器被安装在PCB板的高功率电路而不是控制电路中,这是因为它的次级线圈用于驱动高功率晶闸管整流器控制电路。如果将低功率电路和高功率电路设计在同一块PCB板上,就会在功率电路和控制电路之间产生电容和电感耦合,致使设备出现故障。所以,低功率电路与高功率电路应当设计在不同的PCB板上。

图 1 高功率电路与低功率电路的分离设计

2、基板材料厚度

功率电路器件通常需要有一个合适的散热器,以散发一定的热量。如果散热器直接安装在PCB板上,则整个电路板会上升到同样的温度。所以,基材的选取必须能够承受器件的连续工作,通常选用环氧玻璃层压板。最常用的压板厚度为1.6mm,在需要安装较重的器件时,如脉冲变压器、散热器、扼流圈等,则选取压板厚度为2.4mm或3.2mm。现在散热器以粘贴的形式应用便以印制。

3、铜箔厚度

低功率电路最好选用铜箔厚度为36um的覆铜层压板,而高功率电路通常选用铜箔厚度为70um的覆铜层压板。对于一些特殊的电路,还可选择铜箔厚度为105的覆铜层压板。

4、导线宽度

设计功率电路PCB板时,电路板表面可用的铜箔应充分用作大电流的导线。其制作方法,首先是确定导线间的距离,然后将剩余的铜箔分配用作导线。传输大电流的导线应当选取较大的线宽,因此,很有必要分析电路中的电流,以确定PCB板中最有可能出现电流故障以及导线最容易出现问题的地方,并确定导线能够承受的极限电流。如果不这样,就要尽可能增加导线的宽度。

5、大电流导致的电压降

在功率电路中,PCB板导线中的大电流会造成可观的电压降,因而,应当尽可能低避免这些大的负载电压降。如果这些负载电流必须通过PCB板,而不能被旁路掉,则在设计导线时就应当确保这些大的电压降不会影响电路的正常功能。

6、散热问题

PCB板上热量的产生主要有两个来源:电路板本身和安装在它上面的组件。每个系统(和组件)都有一个最大的工作温度,因而必须确保温度不能越界。散热器的使用、强制排风冷却、组件的布局以及电路板的水平或垂直安装都会影响电路板及其组件的温度,现在的EDA工具可以根据电流和产生热量的关系快速准确地进行热量分析。任何相应的电路仿真程序(例如SPICE)都能够对静态和动态的热量生成进行仿真。

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